Interaction of living cable bacteria with carbon electrodes in bioelectrochemical systems

活電纜細菌與生物電化學系統中碳電極的相互作用

來源：August 2024 Volume 90 Issue 8

1. 摘要核心內容

 

發現：活體電纜細菌（Electronema aureum GS）能被+200 mV的碳電極（碳氈/碳纖維）吸引，并在生物電化學系統（BES）中主動遷移至電極表面。

關鍵現象：

通電時電纜細菌向電極聚集，斷電時撤回（動態可逆響應）。

qPCR和SEM證實通電電極表面電纜細菌豐度顯著高于對照組。

意義：首次證實電纜細菌具有電活性，可通過電極替代自然電子受體（如O?），為純培養、代謝研究及生物電子應用（如生物傳感、生物修復）提供新途徑。

 

2. 研究目的

 

核心問題：驗證電纜細菌能否與電極發生胞外電子傳遞（EET），探究其在缺氧環境下利用電極作為電子受體的能力。

應用目標：開發基于電纜細菌的BES技術，用于環境修復（如石油污染物降解）和生物電子設備。

 

3. 研究思路

 

模型構建：

使用淡水沉積物中富集的單菌株電纜細菌（E. aureum GS）。

設計兩種BES：

三電極系統（圖1a）：碳氈工作電極（+200 mV vs. Ag/AgCl），用于電流監測、qPCR、電化學分析和SEM。

 

微流控trench slide系統（圖4a）：集成碳纖維電極和顯微觀察，實時追蹤細菌運動。

 

對照組：

滅菌沉積物（無活性細菌）。

無外加電位電極（開路控制）。

驗證鏈：

電流生成 → 細菌電極附著（qPCR/SEM） → 實時運動響應（顯微鏡） → 機制初探（CV分析）。

 

4. 測量數據及意義

(1) 電流生成（圖1b-c）

 

數據：

活菌沉積物電流從17 μA升至78 μA（圖1b），滅菌對照組僅4.75 μA。

向滅菌沉積物添加10根活菌絲后，電流從2 μA升至8 μA（圖1c）。

意義：證實電纜細菌可直接貢獻電流，且極少量細菌即可驅動電化學響應。

 

(2) 細菌豐度與附著（圖2, 圖3, 圖S2）

 

qPCR（圖2）：

通電電極表面電纜細菌基因拷貝數比沉積物高70倍，比無電位電極高640倍。

 

SEM（圖3a-c）：

細菌纏繞電極表面（長度>150 μm），細胞連接清晰；對照組無附著（圖3d）。

 

Trench slide驗證（圖S2）：

僅通電電極鄰近沉積物中檢測到活菌遷移。

意義：電位驅動細菌特異性電極定植，排除被動吸附可能。

 

(3) 實時運動響應（圖4b-c, 視頻S1-S5）

 

動態過程（trench slide系統）：

通電時細菌數小時內聚集于電極（圖4b, 視頻S1）。

斷電后10小時撤回（圖4c）；重新通電后2小時再次聚集（圖S3）。

機械穩定性（視頻S4-S5）：

細菌與電極形成牢固連接（耐受機械擾動）。

意義：首次記錄活體電纜細菌對電位的動態行為響應，證明其主動趨電性。

 

(4) 電化學機制初探（圖1d）

 

循環伏安（CV）（圖1d）：

活菌電極在0.22 V和-0.05 V出現氧化還原峰（無菌無峰）。

意義：提示可能存在氧化還原介體或新型EET途徑（不同于Geobacter的細胞色素特征）。

 

5. Unisense電極數據的詳細解讀

實驗設置（圖4a）

 

設備：Unisense picoammeter + 定制trench slide微反應器。

電極：碳纖維工作電極（+200 mV vs. 氯化Ag偽參比電極）。

監測：實時電流（50–100 nA）與顯微視頻同步記錄。

 

關鍵數據與意義

 

實時電流-行為關聯（視頻S1-S3）：

電流隨細菌聚集逐漸上升（50–100 nA），斷電歸零。

意義：直接關聯細菌空間分布與電活性，證明電子傳遞依賴活菌-電極接觸。

 

缺氧生存證據：

細菌在無O?環境存活>100小時，僅依賴電極作為電子受體。

意義：揭示電纜細菌在缺氧下通過EET維持代謝，拓展其生態位（如地下沉積物）。

 

趨電性動態響應：

開關電位觸發快速遷移（小時級），證明電位是定向信號。

意義：為開發細菌定向操控技術（如生物修復靶向遞送）提供原理驗證。

 

6. 結論

 

電纜細菌具有電活性，能利用電極作為替代電子受體。

其趨電行為是動態可逆的，由電位調控。

EET機制可能涉及直接接觸（纏繞電極）和/或氧化還原介體（CV峰）。

應用潛力：

生物傳感：利用細菌-電極響應實時監測污染物。

生物修復：電極驅動細菌降解缺氧區污染物（如石油烴）。

電子合成：耦合BES生產高附加值化學品。

 

7. 研究創新點

 

方法學：首創trench slide-BES聯用技術，實現單菌水平電化學-行為聯動分析。

理論突破：推翻"電纜細菌僅依賴O?/NO??"的傳統認知，揭示其EET能力。

應用導向：為未純培養微生物的BES利用提供范式，推動電纜細菌資源化。